La manifattura additiva potrebbe essere la chiave per la commercializzazione del “Liquid Metal Ram”

Un nuovo approccio ai sistemi di archiviazione, realizzato da ricercatori dell’Università Tsinghua in Cina, consente una memoria flessibile senza compromettere le prestazioni dei dispositivi elettronici. Finanziato dalla National Natural Science Foundation of China, dalla China Postdoctoral Science Foundation e dal Shuimu Tsinghua Scholarship Program, questa ricerca introduce la “Liquid Metal Memory” in una recente pubblicazione su “Advanced Materials”.

I sistemi di archiviazione, componenti vitali dei dispositivi elettronici, devono diventare molto più flessibili man mano che il mondo vede dispositivi indossabili più avanzati, dispositivi biomedicali e robotica morbida. Questi sistemi di archiviazione dei dati devono allungarsi, piegarsi e torcersi agli estremi senza influire sulle prestazioni dei dispositivi emergenti.

Raggiungere una memoria flessibile è stato difficile a causa delle limitazioni delle metodologie di archiviazione convenzionali. Lo studio più recente propone una nuova classe di principi di archiviazione ispirati ai meccanismi di polarizzazione e depolarizzazione del cervello umano.

Introducendo i comportamenti di ossidazione e deossidazione dei metalli liquidi, il team ha ottenuto una memoria completamente flessibile. I ricercatori hanno utilizzato l’ossidazione elettrochimica reversibile per modulare la conduttività complessiva dei metalli liquidi target, creando una differenza di resistenza di 11 ordini di grandezza per l’archiviazione binaria dei dati, come osservato.

Per ottenere le migliori prestazioni di archiviazione, sono state condotte ottimizzazioni sistematiche di molteplici parametri. Esperimenti concettuali hanno mostrato la stabilità della memoria in scenari di deformazione estrema, inclusi 360° di torsione, 180° di piegatura e 100% di allungamento. Ulteriori test hanno dimostrato prestazioni migliori con unità di memoria di dimensioni più piccole.

Il team ha concluso che il loro sistema di archiviazione raggiunge una velocità di scrittura superiore a 33 Hz e una capacità di conservazione dei dati di oltre 43200 s, con un funzionamento stabile e ripetibile fino a 3500 cicli. Queste notevoli metriche di prestazione indicano che il “metodo rivoluzionario” può superare le limitazioni di rigidità intrinseche delle unità di archiviazione elettroniche esistenti, aprendo la strada a dispositivi neuromorfici innovativi.

Pertanto, la memoria a metallo liquido altera fondamentalmente i concetti tradizionali di memoria flessibile, offrendo percorsi pratici per future applicazioni in sistemi di intelligenza artificiale bio‑ispirati, robotica morbida ed elettronica indossabile.

Un approccio non convenzionale: utilizzo di un metallo liquido

L’uso crescente di dispositivi flessibili significa che la domanda di caratteristiche deformabili della memoria crescerà, ha dichiarato Jing Liu, professore del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell’Università Tsinghua a Pechino, in un’intervista.

Il dispositivo di RAM resistiva flessibile è chiamato FlexRAM ed è sviluppato con un approccio non convenzionale — il liquido. Questa RAM a metallo liquido memorizza le informazioni in un ambiente di soluzione, proprio come fa il nostro cervello, che è composto per circa il 70% d’acqua.

Adottando questo approccio biomimetico, FlexRAM si distingue dai sistemi di memoria attuali, che sono solidi. L’approccio biomimetico, secondo Liu, è simile a “gli ambienti acquosi presenti negli organismi viventi”.

Finora, la flessibilità dei dispositivi di memoria esistenti è stata limitata perché solitamente vengono creati depositando i componenti di memoria rigidi su materiali morbidi. Ciò rende i dispositivi parzialmente flessibili e porta a pelature e crepe quando il dispositivo viene deformato.

FlexRAM mira a cambiare questo usando una lega composta da gallio e indio come componente di memoria per fabbricare il loro dispositivo di archiviazione. I metalli liquidi a base di gallio sono un materiale attraente grazie alle loro eccellenti caratteristiche, come alta conduttività elettrica e termica, bassa tossicità e bassa viscosità con natura fluida a temperatura ambiente.

Ispirato dal cervello, il materiale subisce ossidazione e riduzione in un ambiente di soluzione, proprio come i neuroni del nostro cervello. Il neurone è polarizzato quando la membrana plasmatica interna ha una carica negativa rispetto all’esterno, e quando qualsiasi cambiamento lo rende meno negativo, si verifica la depolarizzazione.

Inoltre, il materiale mantiene il suo stato liquido a temperatura ambiente. Ciò facilita la sua ossidazione per formare uno strato denso di ossido di gallio sulla superficie del liquido. Questo strato di ossido di gallio corrisponde a uno stato di alta resistenza elettrica del sistema di archiviazione e a uno stato a bassa resistenza del gallio elementare, la forma ridotta del liquido.

Un alto rapporto di resistenza, la differenza tra la resistenza di questi due stati, è essenziale per le prestazioni di archiviazione della memoria.

Raggiungere alta integrazione e scalabilità

Per quanto riguarda le prestazioni, i dispositivi di archiviazione della memoria devono possedere molte caratteristiche, tra cui efficienza energetica, velocità di lettura e scrittura rapide, alta densità di archiviazione, conservazione dei dati, durabilità e affidabilità. Il problema nasce nel trovare un equilibrio tra questi aspetti massimizzando al contempo la flessibilità del dispositivo.

Quindi, per sviluppare un dispositivo in grado di gestire alti livelli di deformazione, il team di ricercatori ha utilizzato un polimero elastico chiamato Ecoflex come materiale di incapsulamento.

Successivamente, il team ha impiegato una stampante 3D per stampare stampi in Ecoflex. La stampa 3D o la manifattura additiva consente la produzione di oggetti complessi. Permette la realizzazione di articoli che non erano economicamente possibili con la produzione tradizionale. AM significa fondamentalmente creare oggetti tridimensionali depositando strati di materiale secondo un progetto creato al computer.

Grazie al suo rapporto qualità‑prezzo, la stampa 3D ha reso la produzione accessibile alle masse per la prima volta. Nel frattempo, la sua capacità di offrire flessibilità di design e prototipazione rapida rende questa tecnica popolare tra scienziati e ricercatori.

Una volta creato il dispositivo, gocce di metallo liquido a base di gallio sono state inserite nelle cavità degli stampi. Per evitare perdite della soluzione, i ricercatori hanno anche usato gocce della soluzione di idrogel di acetato di polivinile, iniettate separatamente per la loro capacità di aumentare il rapporto di resistenza del dispositivo e migliorare le proprietà meccaniche.

La dimensione della goccia di metallo liquido era significativa poiché influisce notevolmente sul rapporto tra lo stato ad alta resistenza e quello a bassa resistenza nel dispositivo. Una dimensione di goccia più piccola porta a un rapporto aumentato a causa dell’impatto amplificato del film di ossido superficiale. Quindi, più piccola è la goccia, “più sensibile è la risposta della memoria”.

Liu ha dichiarato:

“Ridurre la dimensione della goccia favorisce l’integrazione e la scalabilità di FlexRAM, rendendo la memoria completamente flessibile e ad alta densità un’opzione promettente per diversi sviluppi ingegneristici.” 

Lettura, scrittura e archiviazione dei dati

Ora, per quanto riguarda la codifica dei dati, FlexRAM lo fa attraverso i processi di ossidazione e riduzione del metallo liquido.

Il funzionamento è il seguente: il metallo liquido a base di gallio si ossida quando viene applicata una bassa tensione. Questo gli conferisce uno stato di alta resistenza “1”. Invertendo la polarità della tensione, il metallo liquido ritorna al suo stato iniziale a bassa resistenza “0”. Questo processo di commutazione reversibile consente di memorizzare e cancellare dati nel dispositivo.

Per dimostrare la capacità di lettura e scrittura di FlexRAM, i ricercatori hanno integrato il dispositivo in un setup software e hardware. Utilizzando comandi del computer, il team ha scritto una sequenza di numeri e lettere su un array di otto unità di archiviazione FlexRAM.

Queste lettere e numeri sono stati codificati sotto forma di 0 e 1 e corrispondevano a 1 byte di informazione, ben lontano dalla capacità di memoria di livello consumer.

Nel passo successivo, il team ha impiegato una tecnica chiamata modulazione a larghezza di impulso, che ha convertito il segnale digitale del computer in un segnale analogico. La tecnica ha permesso di controllare accuratamente l’ossidazione e la riduzione del metallo liquido.

Poi, il team ha applicato una breve tensione di prova di 1 volt durante la lettura delle informazioni per misurare lo stato di resistenza del sistema senza modificare lo stato redox del metallo. La corrente è poi trasmessa al computer, che converte il segnale in 0 o 1 tramite un algoritmo. Infine, il messaggio codificato viene visualizzato su uno schermo LED.

Mentre il prototipo è una memoria volatile, il principio consente lo sviluppo del dispositivo in diverse forme di memoria.

Questo è evidente dall’osservazione che i dati memorizzati nel dispositivo persistono anche quando l’alimentazione viene spenta. Ciò potrebbe indicare che il dispositivo ha potenziale come forma di archiviazione flessibile e forse oltre la RAM. Liu ha osservato:

“FlexRAM potrebbe essere integrata in interi sistemi di calcolo basati su liquidi, funzionando come dispositivo logico.” 

FlexRAM può inoltre conservare i dati fino a 43 200 secondi o 12 ore in un ambiente a bassa o nessuna presenza di ossigeno. Inoltre, il dispositivo può essere riutilizzato più volte mantenendo prestazioni stabili per più di 3500 cicli. Sebbene sia un buon inizio, è ancora lontano da ciò che la memoria tradizionale non flessibile è in grado di offrire, che si misura in milioni.

Enorme potenziale di applicazione

Mentre il dispositivo ha dimostrato prestazioni promettenti, il suo tempo di risposta e il livello di integrazione non sono ancora conformi agli standard commerciali. Ciò significa che è ancora necessario migliorare diversi aspetti, inclusa la procedura di produzione, che attualmente prevede il riempimento dei materiali in sequenza.

Il team mira a utilizzare processi di produzione intelligenti e automatizzati insieme alla stampa 3D aerea e alla tecnologia di imballaggio.

Tuttavia, la tecnologia è ancora molto giovane e richiederà anni per essere pienamente realizzata. Detto ciò, la prova di concetto è incoraggiante, e questo nuovo approccio ha suscitato l’interesse dell’industria con diversi concetti basati su liquidi in fase di esplorazione.

Una ricerca di ha dimostrato qualche anno fa quando sono stati proposti due nuovi concetti di archiviazione basati su liquidi — memoria colloidale ed elettrolitica — che hanno il potenziale per applicazioni di archiviazione near‑line ad altissima densità.

Ancora una volta, prendendo ispirazione dai progressi nelle scienze della vita, è stato proposto che il mezzo di archiviazione per creare un array denso di dispositivi di accesso sia un liquido contenente ioni, molecole o (nano‑)particelle, che può essere manipolato in volumi più grandi verso un dispositivo di accesso facente parte di un array denso.

IMEC, un hub di R&D e innovazione in nanoelettronica e tecnologie digitali, prevede l’introduzione della memoria liquida a partire dal 2030. Prevede che con questi approcci la densità di memorizzazione dei bit possa essere spinta verso la fascia di 1 Tbit/mm² a un costo di processo inferiore per mm². Ha inoltre osservato che, per rendere queste soluzioni di archiviazione praticabili per applicazioni near‑line, la tecnologia deve garantire tempi di risposta adeguati, consumo energetico, larghezza di banda (ad es. 20 Gb/s), resistenza al ciclo (10³ cicli di lettura/scrittura) e la capacità di conservare i dati per un decennio.

In un’altra situazione, nel 2020, i ricercatori hanno ottenuto una carica da batterie a metallo liquido. Qui, l’elettrolita salino, l’anodo metallico e il catodo erano tutti in forma liquida. Rispetto alle batterie allo stato solido, le batterie a metallo liquido beneficiano della rapida diffusione di ioni tra gli elettrodi, il che significa cicli di carica‑scarica rapidi.

Inoltre, le sollecitazioni meccaniche sono molto minori, elimina la necessità di membrane e separatori migliorando al contempo la stabilità a lungo termine e l’utilità. La ricerca ha affermato che le batterie a metallo liquido, sebbene pesanti, non sono infiammabili e potrebbero essere più adatte per lo stoccaggio di elettricità su larga scala.

Più recentemente, gli scienziati hanno scoperto un composito a base di metallo liquido che consente connessioni elettriche e meccaniche robuste tra circuiti morbidi e componenti elettrici rigidi. I ricercatori sperano che questo materiale, chiamato E‑CASE, un adesivo conduttivo elettricamente con argento e eutettico gallio‑indio (EGaIn), possa svolgere un ruolo nell’elettronica, nella robotica e nei sensori.

Quindi, man mano che i ricercatori affrontano le sfide e perfezionano la tecnologia, FlexRAM potrà trovare impiego in elettronica impiantabile, robotica morbida e sistemi di interfaccia cervello‑macchina in futuro.

Aziende di manifattura additiva 

#1. Materialise

Il fornitore belga di servizi di stampa 3D serve una gamma di settori, tra cui automotive, aerospaziale e assistenza sanitaria. Negli ultimi mesi, Materialise ha stipulato diverse partnership, tra cui con Ricoh USA per promuovere l’uso di modelli anatomici stampati in 3D, con Proponent per stampare soluzioni di cabine per aeromobili, con Nikon SLM Solutions per sviluppare processori di stampa avanzati, e con Ansys per semplificare la simulazione per la stampa 3D.

Con una capitalizzazione di mercato di 329 milioni di dollari, le azioni di Materialise (MTLS:NASDAQ) sono state scambiate a 5,57 $, in calo del 15,16 % YTD. L’azienda ha registrato un fatturato (TTM) di 272 milioni di dollari e ha un EPS (TTM) di 0,05 e un P/E (TTM) di 116,53. L’azienda ha riportato un aumento del 3,2 % del fatturato totale a 63,6 milioni di dollari rispetto all’anno precedente durante il rapporto sugli utili del 3Q23, mentre l’EBITDA è salito del 55 % e l’utile netto è aumentato del 184 % a 4,2 milioni di dollari.

#2. EOS GmbH

EOS GmbH, con sede in Germania, è un produttore leader di stampa 3D industriale che ha lanciato una tecnologia FDR che consente la produzione di dettagli fini senza sacrificare la qualità. Nel frattempo, la tecnologia Smart Fusion elimina le strutture di supporto, riduce i costi, minimizza l’uso di materiale e riduce i requisiti di post‑processo. I suoi nuovi sistemi consentono inoltre una soluzione completamente automatizzata che scala in linea con le esigenze di produzione.

Oltre a EOS GmbH e Materialise, aziende di stampa 3D come Stratasys, GE Additive, Desktop Metal , Formlabs e Renishaw possono contribuire alla commercializzazione del Liquid Metal Ram. Nel frattempo, realtà come Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple (AAPL ) e Samsung possono beneficiare di questo nuovo approccio ai sistemi di archiviazione.

Parola finale

La capacità del Liquid Metal Ram di resistere a quasi ogni deformazione promette un grande futuro per i dispositivi elettronici, arricchendo ulteriormente le nostre vite. Tuttavia, sono ancora in una fase iniziale, con ulteriori ricerche e lavori necessari prima di poter essere commercializzati. 

Qui, la manifattura additiva può svolgere un ruolo chiave consentendo progetti personalizzati e una migliore integrazione di diversi componenti per prestazioni e affidabilità potenziate. Inoltre, permette la prototipazione rapida, consentendo a ricercatori e aziende di apportare miglioramenti rapidi riducendo gli sprechi, offrendo scalabilità e produzione su richiesta.

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